CN115219201A - 鼠笼式弹支应变测试方法及航空发动机鼠笼式弹支 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鼠笼式弹支应变测试方法，包括以下步骤：S1，根据弹支的结构特点和工作特点，对其进行有限元分析，以在弹条上确定合适的应变测点位置；S2，根据应变测点位置，在弹条上确定合适的温度测点位置；S3，在应变测点位置粘贴应变计，在温度测点位置粘贴温度传感器；S4，根据弹支在发动机中的工作边界条件设计标定装置，通过标定装置采用加载标定的方式对已完成粘贴的弹条进行弹条应变测点处应变与弹支自由端径向位移之间的“应变‑位移”关系标定；S5，将弹支安装于发动机中，以在发动机台架试车过程中开展实时的弹支应变测试工作。此外，还公开了一种采用上述鼠笼式弹支应变测试方法测试的航空发动机鼠笼式弹支。

Description

鼠笼式弹支应变测试方法及航空发动机鼠笼式弹支

技术领域

本发明涉及发动机测试技术领域，特别地，涉及一种鼠笼式弹支应变测试方法。此外，本发明还涉及一种采用上述鼠笼式弹支应变测试方法测试的航空发动机鼠笼式弹支。

背景技术

现代航空发动机的转速一般均在10000rpm以上，一些小型发动机的工作转速则高达(40000～50000)rpm，对于这样的高转速发动机，其结构完整性和可靠性问题十分突出，而其转子-支承系统的振动和稳定性常常是问题的症结。我国大、小发动机型号研制和高性能发动机预研的实践表明，由于转子-支承系统引起的发动机整机振动故障已成为研制和预研中碰到的重大技术关键。

通常，航空发动机转子系统中采用的弹性支承，其刚性相对于转子的刚性是很低的，即所谓低刚性弹性支承，旨在使转子系统的临界转速低到要求的数值而不削弱转子本身的刚性，且通过临界转速时，转子的振幅和通过轴承座的外传载荷均很小。该类转子系统在工作转速范围内通过低阶刚体型临界转速时，变形主要发生在弹性支承上，而转轴基本上不发生弯曲变形，乃至其变形可以忽略不计。当转子系统通过弯曲临界转速时，转轴发生弯曲变形，其弹性支承处的变形也较大。

航空发动机整机试车时，转子位于发动机机匣内部，一般的振动传感器很难安装在机匣内部对转子系统的振动情况进行实时监测，而对于带弹性支承的小发高速转子系统而言，其旋转部件的振动直接传递到作为静止件的弹支上。如能从弹支上获取转子的振动信号将会使转子的振动监测变得容易实现。

目前，航空发动机转子的弹性支承结构形式主要有鼠笼式、弹性环式、O型圈等，其中又以鼠笼式弹支最为常见。鼠笼式弹支是由一系列圆柱形的肋条通过螺纹安装或焊接在两端法兰面内，或在一中空的圆柱上沿周向切槽，弹支一端通过法兰面固定在机匣上，转子轴承则安装在弹支自由端的内环，压力油充满在弹支自由端外环和机匣的环形间隙中提供油膜阻尼。转子在高速运转过程中，轴颈处(弹支自由端)的径向位移会导致弹条出现交变变形。弹支振动应变测试技术采用的是电阻应变电测法，对鼠笼式弹支而言，是在弹支的垂直与水平方向的弹条靠安装边根部应力最大处粘贴满足尺寸、温度等要求的应变计，通过专用引线从机匣上的小孔引出应变计感受的振动应变信号，接入动态电阻应变仪测量，再通过动态信号记录分析仪对振动应变信号进行记录分析。根据《航空发动机设计手册第19册转子动力学》中的相关内容可知，转子轴颈处的振动位移与弹条上的振动应变存在一一对应的关系，则通过监测弹条根部振动应变信号即可实现对发动机转子振动位移的实时监测。弹条根部交变应变的大小反映了转子轴颈挠度的大小，当然这种变形量受到挤压油膜间隙的限制。

现有的弹支应变测试方法，通过经验判断认定所有鼠笼式弹支的弹条根部内表面为弹条振动应变最大的区域，对所有鼠笼式弹支均将其弹条根部内表面作为贴片点，并通过《航空发动机设计手册第19册转子动力学》中的经验公式获取获得转子轴颈处的振动位移与弹条上的振动应变对应关系，然而实际上，以这种方式得到的轴颈处振动位移值与实际值之间会存在一定偏差。另外，弹支在发动机工作过程中，其所处环境温度是会随着发动机转速的上升而升高的，与之对应的是，弹支的材料弹性模量随之变小。根据材料力学相关知识，在弹性变形范围内，材料应力等于材料应变与其弹性模量的乘积。然而，现有的弹支应变测试方法中，默认弹支材料弹性模量在发动机全转速范围内为恒定值，这样根据应变测试结果换算所得应力值与实际值同样会存在一定偏差，导致测试结果不准确。

发明内容

本发明提供了一种鼠笼式弹支应变测试方法及航空发动机鼠笼式弹支，以解决现有的鼠笼式弹支应变测试存在偏差，测试结果不准确的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种鼠笼式弹支应变测试方法，包括以下步骤：S1，根据弹支的结构特点和工作特点，对其进行有限元分析，以在弹条上确定合适的应变测点位置；S2，根据应变测点位置，在弹条上确定合适的温度测点位置；S3，在应变测点位置粘贴应变计，在温度测点位置粘贴温度传感器；S4，根据弹支在发动机中的工作边界条件设计标定装置，通过标定装置采用加载标定的方式对已完成粘贴的弹条进行弹条应变测点处应变与弹支自由端径向位移之间的“应变-位移”关系标定；S5，将弹支安装于发动机中，以在发动机台架试车过程中开展实时的弹支应变测试工作。

作为上述技术方案的进一步改进：

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：根据弹支的结构特点和工作特点，对弹支在工作状态下的变形特点进行分析，主要分析弹条因转子轴颈处径向位移而产生变形时，弹条上各点处的应变分布特点，以在具备合适的应变分布特点的区域内确定弹条的应变测点位置。

进一步地，合适的应变分布特点指的是同时具备“较缓的应变变化梯度”和“较大的相对应变水平”这两种特点。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：根据弹条上所在的应变测点位置，以在其他弹条上确定与应变测点位置处于同一圆周截面的相同位置作为温度测点位置。

进一步地，步骤S4具体包括以下步骤：根据弹支在发动机中的工作边界条件进行设计标定装置，标定装置通过模拟实际状态对弹支安装边进行刚性固支，使得固定以后的安装边为完全约束，然后在弹支的弹性变形范围内，先后对弹支自由端的垂直方向和水平方向两个方向上施加一定大小的径向载荷，同时测量弹条上各应变测点处的应变值和弹支自由端的径向位移值，以获得弹条测点处应变与弹支自由端径向位移之间的对应关系。

进一步地，标定装置包括安装座、用于将弹支安装边固定于安装座上的安装板、用于套设于弹支外壁上的加载环、与加载环连接的用于施加径向载荷的加载杆、与加载环连接的用于测量径向位移的位移传感器以及用于测量应变测点处应变的应变计。

进一步地，步骤S5中，弹支的应变测试工作具体包括以下步骤：通过应变计和温度传感器实时测量发动机工作过程中弹条的应变情况和温度值，根据“应变-位移”关系和实时的弹条应变情况获取实时的弹支自由端径向位移变化情况，根据实时的弹条温度值确定实时的弹条材料弹性模量，再根据实时的弹条材料弹性模量和实时的弹条应变情况获取实时的弹条应力值，根据实时的弹支自由端径向位移变化情况和实时的弹条应力值实现对发动机试车过程中转子的实时安全监测以及获取精确的转子轴颈处不平衡响应值。

进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：根据弹支在发动机中的工作边界条件及零件材料参数信息，选择合适的应变计、温度传感器及对应的粘贴工作，以在应变测点位置粘贴应变计，在温度测点位置粘贴温度传感器。

进一步地，工作边界条件包括工作温度和防油性能。

根据本发明的另一方面，还提供了一种航空发动机鼠笼式弹支，其包括上述的鼠笼式弹支应变测试方法测试。

本发明具有以下有益效果：

本发明的鼠笼式弹支应变测试方法，根据弹支的结构特点和工作特点，对其进行有限元分析，以在弹条上确定合适的应变测点位置，确保应变测点为弹条振动应变最大的区域，消除应变测点选取不准确的导致的偏差，实现提高后续应变测试的测试精度；再根据应变测点位置，在弹条上确定合适的温度测点位置，以在后续测试过程进行实时的弹条应变测量的同时，同步进行实时的弹条温度值测量，进而获得实时的弹条材料弹性模量，从而获得实时的弹条应力值，消除弹条应力值因温度变化而引起的偏差，实现提高后续应变测试的测试精度；然后在应变测点位置粘贴应变计以在实际测试过程中获取实时的弹条应变情况，在温度测点位置粘贴温度传感器以在实际测试过程中获取实时的弹条温度值；根据弹支在发动机中的工作边界条件设计标定装置，通过标定装置采用加载标定的方式对已完成粘贴的弹条进行弹支弹变测点处应变与弹支自由端径向位移之间的“应变-位移”关系标定，以准确获取弹条测点处应变与弹支自由端径向位移之间的对应关系，为后续精确得到实时的弹支自由端径向位移变化情况提供有力保障；最后将弹支安装于发动机中，以在发动机台架试车过程中开展实时的弹支应变测试工作，在弹支应变测试工作，根据实时的弹条应力值和实时的弹支自由端径向位移变化情况实现对发动机试车过程中转子的实时安全监测以及获取精确的转子轴颈处不平衡响应值；本方案相对现有技术，应变测点的确定不再凭借经验判断，且考虑到了温度变化对弹条材料弹性模量的影响，再通过标号装置预先对弹支“应变-位移”关系进行标定，有利保障了后续发动机试车过程中弹支应变的实时测试以及对测试结果的精确判读，显著提高了对弹条应力值和弹支自由端径向位移变化情况的测试精度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的鼠笼式弹支应变测试方法的步骤框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的鼠笼式弹支应变测试方法的步骤框图。

如图1所示，本实施例的鼠笼式弹支应变测试方法，包括以下步骤：S1，根据弹支的结构特点和工作特点，对其进行有限元分析，以在弹条上确定合适的应变测点位置；S2，根据应变测点位置，在弹条上确定合适的温度测点位置；S3，在应变测点位置粘贴应变计，在温度测点位置粘贴温度传感器；S4，根据弹支在发动机中的工作边界条件设计标定装置，通过标定装置采用加载标定的方式对已完成粘贴的弹条进行弹条应变测点处应变与弹支自由端径向位移之间的“应变-位移”关系标定；S5，将弹支安装于发动机中，以在发动机台架试车过程中开展实时的弹支应变测试工作。具体地，本发明的鼠笼式弹支应变测试方法，根据弹支的结构特点和工作特点，对其进行有限元分析，以在弹条上确定合适的应变测点位置，确保应变测点为弹条振动应变最大的区域，消除应变测点选取不准确的导致的偏差，实现提高后续应变测试的测试精度；再根据应变测点位置，在弹条上确定合适的温度测点位置，以在后续测试过程进行实时的弹条应变测量的同时，同步进行实时的弹条温度值测量，进而获得实时的弹条材料弹性模量，从而获得实时的弹条应力值，消除弹条应力值因温度变化而引起的偏差，实现提高后续应变测试的测试精度；然后在应变测点位置粘贴应变计以在实际测试过程中获取实时的弹条应变情况，在温度测点位置粘贴温度传感器以在实际测试过程中获取实时的弹条温度值；根据弹支在发动机中的工作边界条件设计标定装置，通过标定装置采用加载标定的方式对已完成粘贴的弹条进行弹支弹变测点处应变与弹支自由端径向位移之间的“应变-位移”关系标定，以准确获取弹条测点处应变与弹支自由端径向位移之间的对应关系，为后续精确得到实时的弹支自由端径向位移变化情况提供有力保障；最后将弹支安装于发动机中，以在发动机台架试车过程中开展实时的弹支应变测试工作，在弹支应变测试工作，根据实时的弹条应力值和实时的弹支自由端径向位移变化情况实现对发动机试车过程中转子的实时安全监测以及获取精确的转子轴颈处不平衡响应值；本方案相对现有技术，应变测点的确定不再凭借经验判断，且考虑到了温度变化对弹条材料弹性模量的影响，再通过标号装置预先对弹支“应变-位移”关系进行标定，有利保障了后续发动机试车过程中弹支应变的实时测试以及对测试结果的精确判读，显著提高了对弹条应力值和弹支自由端径向位移变化情况的测试精度。可选地，有限元分析软件选择Ansys、Abaqus等有限元分析软件中的一种。应当理解的是，弹支包括环形安装边、与环形安装边同轴布设的环形自由端以及沿周向间隔排布于环形安装边和环形自由端之间的多个弹条。

本实施例中，步骤S1具体包括以下步骤：根据弹支的结构特点和工作特点，对弹支在工作状态下的变形特点进行分析，主要分析弹条因转子轴颈处径向位移而产生变形时，弹条上各点处的应变分布特点，以在具备合适的应变分布特点的区域内确定弹条的应变测点位置。具体地，通过分析弹条因转子轴颈处径向位移而产生变形时，弹条上各点处的应变分布特点，以根据应变分布特点确定应变测点，避免了经验判断选取应变测点可能带来的误差，提高了应变测试精度。

本实施例中，合适的应变分布特点指的是同时具备“较缓的应变变化梯度”和“较大的相对应变水平”这两种特点。具体地，当应变测点位于同时具备“较缓的应变变化梯度”和“较大的相对应变水平”这两种应变分布特点的区域时，在后续的弹条测点应变情况的测试过程中，可确保更高的应变测试精度以及更好的信噪比。

本实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：根据弹条上所在的应变测点位置，以在其他弹条上确定与应变测点位置处于同一圆周截面的相同位置作为温度测点位置。具体地，通过温度测点可在发动机全转速范围内进行弹支应变测量的同时，同步进行温度测量，以此确定实时的弹条材料弹性模量。可选地，应变测点沿弹支的垂直方向确定有两个，应变测点沿弹支的水平方向确定有两个，通过多个应变测点测量获得多个弹条测点应变情况，以提高应变测试精度。可选地，温度测点沿弹支的周向间隔布设有多个，通过多个温度测点获得多个弹条材料弹性模量，以提高弹条应力值测试精度。应当理解的是，弹支包括沿周向间隔排布的多个弹条，多个弹条的圆周截面为环形。

本实施例中，步骤S4具体包括以下步骤：根据弹支在发动机中的工作边界条件进行设计标定装置，标定装置通过模拟实际状态对弹支安装边进行刚性固支，使得固定以后的安装边为完全约束，然后在弹支的弹性变形范围内，先后对弹支自由端的垂直方向和水平方向两个方向上施加一定大小的径向载荷，同时测量弹条上各应变测点处的应变值和弹支自由端的径向位移值，以获得弹条测点处应变与弹支自由端径向位移之间的对应关系。具体地，通过标定装置准确获取弹条测点处应变与弹支自由端径向位移之间的对应关系，为后续精确得到实时的弹支自由端径向位移值提供有力保障。

本实施例中，标定装置包括安装座、用于将弹支安装边固定于安装座上的安装板、用于套设于弹支外壁上的加载环、与加载环连接的用于施加径向载荷的加载杆、与加载环连接的用于测量径向位移的位移传感器以及用于测量应变测点处应变的应变计。具体地，首先通过安装板和螺栓将弹支安装板刚性固定于安装座上，然后在弹支自由端外壁刚性连接加载环，加载环下方安装加载杆，以在标定过程中向弹支自由端施加径向载荷，加载杆始终保持铅锤状态，加载环上方安装位移传感器，以测量标定过程中弹支自由端受径向载荷而产生的径向位移，同时通过应变计测量弹条测点处应变情况。

本实施例中，步骤S5中，弹支的应变测试工作具体包括以下步骤：通过应变计和温度传感器实时测量发动机工作过程中弹条的应变情况和温度值，根据“应变-位移”关系和实时的弹条应变情况获取实时的弹支自由端径向位移变化情况，根据实时的弹条温度值确定实时的弹条材料弹性模量，再根据实时的弹条材料弹性模量和实时的弹条应变情况获取实时的弹条应力值，根据实时的弹支自由端径向位移变化情况和实时的弹条应力值实现对发动机试车过程中转子的实时安全监测以及获取精确的转子轴颈处不平衡响应值。具体地，转子的实时安全监测与实时的弹支自由端径向位移变化情况和实时的弹条应力值相关联，转子轴颈处不平衡响应值也与实时的弹支自由端径向位移变化情况和实时的弹条应力值相关联，因此，通过提高测试过程中实时的弹支自由端径向位移变化情况和实时的弹条应力值的测试精度，有利保障了发动机试车过程中转子的实时安全监测以及获取精确的转子轴颈处不平衡响应值。应当理解的是，弹支进行实际测试时，弹支的轴向方向水平布设。

本实施例中，步骤S3具体包括以下步骤：根据弹支在发动机中的工作边界条件及零件材料参数信息，选择合适的应变计、温度传感器及对应的粘贴工作，以在应变测点位置粘贴应变计，在温度测点位置粘贴温度传感器。可选地，温度传感器为热电偶。可选地，零件材料参数信息主要包括零件材料的种类。应当理解的是，粘贴应变计和粘贴温度传感器中的具体粘贴工作属于本领域技术人员的公知技术，此处不过多赘述。

本实施例中，工作边界条件包括工作温度和防油性能。具体地，发动机不同区域内的工作温度和滑油润滑情况不同，因此需要弹支在发动机中的工作温度和防油性能选择合适的应变计和温度传感器。

本实施例的航空发动机鼠笼式弹支，采用上述的鼠笼式弹支应变测试方法测试。具体地，通过上述测试方法对航空发动机鼠笼式弹支进行测试，为试车过程中转子的运行状态监测及振动排故提供了测试依据，为研制工作做出了积极贡献，同时有效排除了发动机试车过程的振动故障、降低发动机试车的风险和事故率以及提高发动机试车的安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据弹支的结构特点和工作特点，对其进行有限元分析，以在弹条上确定合适的应变测点位置；

S2，根据应变测点位置，在弹条上确定合适的温度测点位置；

S3，在应变测点位置粘贴应变计，在温度测点位置粘贴温度传感器；

S4，根据弹支在发动机中的工作边界条件设计标定装置，通过标定装置采用加载标定的方式对已完成粘贴的弹条进行弹条应变测点处应变与弹支自由端径向位移之间的“应变-位移”关系标定；

S5，将弹支安装于发动机中，以在发动机台架试车过程中开展实时的弹支应变测试工作。

2.根据权利要求1所述的鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：

根据弹支的结构特点和工作特点，对弹支在工作状态下的变形特点进行分析，主要分析弹条因转子轴颈处径向位移而产生变形时，弹条上各点处的应变分布特点，以在具备合适的应变分布特点的区域内确定弹条的应变测点位置。

3.根据权利要求2所述的鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，合适的应变分布特点指的是同时具备“较缓的应变变化梯度”和“较大的相对应变水平”这两种特点。

4.根据权利要求1所述的鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：

根据弹条上所在的应变测点位置，以在其他弹条上确定与应变测点位置处于同一圆周截面的相同位置作为温度测点位置。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤：

根据弹支在发动机中的工作边界条件进行设计标定装置，标定装置通过模拟实际状态对弹支安装边进行刚性固支，使得固定以后的安装边为完全约束，然后在弹支的弹性变形范围内，先后对弹支自由端的垂直方向和水平方向两个方向上施加一定大小的径向载荷，同时测量弹条上各应变测点处的应变值和弹支自由端的径向位移值，以获得弹条测点处应变与弹支自由端径向位移之间的对应关系。

6.根据权利要求5所述的鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，标定装置包括安装座、用于将弹支安装边固定于安装座上的安装板、用于套设于弹支外壁上的加载环、与加载环连接的用于施加径向载荷的加载杆、与加载环连接的用于测量径向位移的位移传感器以及用于测量应变测点处应变的应变计。

7.根据权利要求5所述的鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，步骤S5中，弹支的应变测试工作具体包括以下步骤：

通过应变计和温度传感器实时测量发动机工作过程中弹条的应变情况和温度值，根据“应变-位移”关系和实时的弹条应变情况获取实时的弹支自由端径向位移变化情况，根据实时的弹条温度值确定实时的弹条材料弹性模量，再根据实时的弹条材料弹性模量和实时的弹条应变情况获取实时的弹条应力值，根据实时的弹支自由端径向位移变化情况和实时的弹条应力值实现对发动机试车过程中转子的实时安全监测以及获取精确的转子轴颈处不平衡响应值。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：

根据弹支在发动机中的工作边界条件及零件材料参数信息，选择合适的应变计、温度传感器及对应的粘贴工作，以在应变测点位置粘贴应变计，在温度测点位置粘贴温度传感器。

9.根据权利要求8所述的鼠笼式弹支应变测试方法，其特征在于，工作边界条件包括工作温度和防油性能。

10.一种航空发动机鼠笼式弹支，其特征在于，采用权利要求1-9中任意一项所述的鼠笼式弹支应变测试方法测试。

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